北京
多金属增材制造能够按需调控成分、组织和性能的空间分布，为高性能构件的一体化制造提供了新的可能。然而，增材制造过程中的快速熔化与凝固限制了不同金属组元在熔池内的充分混合，从而易形成介观尺度元素偏析。目前，偏析的形成机制及其空间不一致性的来源仍缺乏清晰认识。
针对这一问题，新加坡国立大学闫文韬团队联合中国科学院高能物理研究所的张兵兵团队，建立了先进的高保真仿真模型，并结合原位与非原位实验，系统揭示了介观尺度元素偏析的形成规律及其空间不一致性的成因，并提出了相应的成分调控策略。
相关成果以题为Formation mechanisms of meso-scale element segregation in multi-material metal additive manufacturing发表在Acta Materialia。第一作者为张宴铭；通讯作者是闫文韬、张兵兵。通讯单位为新加坡国立大学、中国科学院高能物理研究所。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964542600892X
该研究取得了三个关键认识：
1）介观尺度元素偏析主要存在分层偏析和涡旋偏析两种基本模式。当不同成分熔体的液相线温度差异较大时，高液相线温度熔体优先在熔池下部凝固，而低液相线温度熔体在上部凝固，形成分层偏析；当液相线温度差异较小时，不同成分熔体在凝固前沿的相近位置凝固，使涡旋流动形成的成分交织结构得以保留，最终形成涡旋偏析。
图1：介观尺度元素偏析的两种基本模式：分层偏析（stratified segregation）和涡旋偏析（vortex segregation）
2）元素偏析的空间不一致性主要源于原材料的局部成分不均匀，而合金化反应会进一步放大这种空间差异。合金化反应产生的局域温度扰动会改变蒸气凹陷形态，进而引起激光吸收、熔池尺寸和局部成分的耦合波动，使得同一熔道不同截面形成不同的元素分布。
图2：原材料间的合金化反应影响元素偏析的空间不一致性
3）通过调节原料配比、加工参数和材料沉积策略，可有效调控偏析模式、局部元素含量及其空间一致性。
图3：调控元素分布的非均匀程度。
图4：调控元素分布的空间一致性。
研究表明，介观尺度元素偏析并非仅取决于熔池内的混合程度，而是由熔体输运、成分相关的凝固行为以及合金化反应等多种因素共同决定。本研究成果为多金属增材制造中的精准成分调控和偏析结构设计提供了理论依据。
本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文团队支持。
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